CN109835900A - 一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法 - Google Patents

一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109835900A
CN109835900A CN201910219167.XA CN201910219167A CN109835900A CN 109835900 A CN109835900 A CN 109835900A CN 201910219167 A CN201910219167 A CN 201910219167A CN 109835900 A CN109835900 A CN 109835900A
Authority
CN
China
Prior art keywords
porous carbon
potassium carbonate
activation
preparation
biomass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910219167.XA
Other languages
English (en)
Inventor
孙飞
王丽杰
高继慧
曲智斌
皮信信
郄志鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201910219167.XA priority Critical patent/CN109835900A/zh
Publication of CN109835900A publication Critical patent/CN109835900A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法，涉及一种煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法。目的是解决物理活化方法得到的多孔活性碳材料孔隙结构不发达和化学活化方法所需活化剂用量大的问题。制备：将原料依次进行破碎、研磨和筛分，然后利用球磨混合或液相浸渍将少量K2CO3与煤基质进行混合，得到的混合物置于气氛炉内高温活化，活化产物清洗和干燥。本发明制备方法中，碳酸钾能够催化活化气体与碳基质活化反应，强化成孔过程；且在反应过程中能够实现钾基组分的循环再生，使得在很少的K2CO3添加量下也能够得到孔隙发达的煤或生物质基多孔碳。本发明适用于制备多孔碳。

Description

一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质 基多孔碳的制备方法
技术领域
本发明涉及一种煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法。
背景技术
多孔碳由于孔隙结构可调、理化结构稳定、环境友好等优点，广泛应用于吸附、催化及电化学储能等领域。孔隙结构是多孔碳的重要参数，直接影响着其对物质与能量储存过程。其中较高的活性比表面积及孔容是提升目标物种如电解液离子或气态分子的吸附储存容量的关键；合适的孔径分布有助于目标物种的扩散迁移。因此，调控多孔碳的孔隙结构具有重要意义。
为制备出孔隙发达、性能良好的多孔碳，目前已发展的多孔碳包括微孔碳、有序介孔碳和分级孔碳等，制备方法涉及物理活化法、化学活化法、模板法、自组装方法及水热碳化法等。其中，以煤或生物质为原料，采用传统物理/化学活化法成本低廉、工艺简单，目前已实现规模化生产。
然而，传统的物理或化学活化制备煤基多孔碳过程存在以下两方面问题：(1)以CO2或水蒸气为活化介质的物理活化方法成本较低，但制备得到的多孔碳孔隙结构不发达，多为微孔结构，比表面积通常小于1000m2/g，大大限制了其应用范围；(2)化学活化法是通过化学活化剂KOH、H3PO4、K2CO3或ZnCl2与碳质前驱体的混合共碳化实现造孔，但为获得发达的孔隙结构，常常需要消耗大量的化学活化剂，活化剂的用量为碳质前驱体质量的3～4倍左右，因此制备成本较高；且活化产物需要消耗大量的酸和水以去除活性碳中残留的活化物质，从而增加了工艺难度及环境治理的困难。
因此，针对上述物理、化学活化工艺制备多孔活性碳材料的问题，发展新型低成本、环境友好的高性能多孔碳制备方法至关重要。
发明内容
本发明要解决传统煤基多孔碳材料制备方法中，物理活化方法得到的多孔活性碳材料孔隙结构不发达和化学活化方法所需活化剂用量大的问题，提出一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法。
本发明基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法按以下步骤进行：
一、原料细化
将煤原料依次进行破碎、研磨和筛分，得到细化煤粉；
二、混合物制备
利用球磨混合或液相浸渍将细化煤粉与碳酸钾混合，得到混合物；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至700～1000℃并保温0.5～10h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理2～5次和水洗处理2～5次，得到清洗后的活化产物；
五、干燥
将清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到煤基多孔碳。
本发明基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法按以下步骤进行：
一、原料细化
将生物质原料依次进行破碎、研磨和筛分，得到细化生物质粉末；
二、球磨混合或液相浸渍
利用球磨混合或液相浸渍将细化生物质粉末与碳酸钾混合，得到混合物；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至700～1000℃并保温0.5～10h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理2～5次和水洗处理2～5次，得到清洗后的活化产物；
五、干燥
将清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到生物质基多孔碳。
本发明提供基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法。具体为：以煤或生物质为原料，通过添加微量或少量的碳酸钾作为催化剂，经球磨混合或液相浸渍过程，使碳酸钾均匀分布在煤或生物质的骨架结构内，经过高温活化过程及含钾物质的去除过程，得到孔隙发达的煤基或生物质基多孔碳。与现有技术相比较，本发明方法的优势在于：
一、本发明制备方法中，碳酸钾起到催化活化气体与碳基质活化成孔过程；且在反应过程中能够实现钾基组分的循环再生，循环再生过程为:K2CO3→K2O/K2O2→K→K2O→K2CO3，钾基组分的循环再生使得在很少的K2CO3添加量下也能够得到孔隙发达的煤或生物质基多孔碳。相比于传统化学活化工艺，本发明中所用碳酸钾的用量远低于传统化学活化法中添加剂如KOH、H3PO4、K2CO3或ZnCl2的用量，大大降低了制备成本，易于放大生产。此外，本发明方法通过调控碳酸钾的含量和活性气体含量，就能改变所得多孔碳的孔隙分布与配组。并且仅需少量的酸洗或水洗就能够去除残留的钾基物质，最终得到纯碳材料；
二、本发明直接通过煤或生物质粉与少量的碳酸钾均匀混合并进行一步活化，即可获得孔隙发达的多孔碳，省去了碳化预处理工艺，降低了工艺难度，且本发明的碳源适应性广，且成本低廉；
三、本发明所得的分级孔碳比表面积可达1773m2/g，孔容可达1.11cm3/g，这一结果已接近或超过化学活化所得多孔碳的孔隙率，实现了对多孔碳孔隙结构深度调控，在电化学储能如双电层超级电容电极材料和气体吸附、液相吸附领域具有应用潜力。
附图说明
图1为实施例1制备得到的煤基多孔碳的SEM图；
图2为实施例1制备得到的煤基多孔碳的TEM图；
图3为实施例1制备得到的煤基多孔碳的氮吸附等温线；
图4为实施例2制备得到的煤基多孔碳的SEM图；
图5为实施例2制备得到的煤基多孔碳的TEM图；
图6为实施例2制备得到的煤基多孔碳的氮吸附等温线；
图7为对比例1制备得到的煤基多孔碳的SEM图；
图8为对比例1制备得到的煤基多孔碳的TEM图；
图9为对比例1制备得到的煤基多孔碳的氮吸附等温线；
图10为实施例1与对比例1制备所得的煤基多孔碳未酸洗前的物相分析；曲线1对应对比例1，曲线2对应实施例1，图中▼对应K2CO3，◆对应K2O2，▲对应KO2，□对应K4C60，▽对应K，●对应K3C60；
图11为实施例1和实施例2中少量碳酸钾催化CO2活化过程孔隙发展示意图；
图12为对比例2得到的煤基多孔碳的氮吸附等温线。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法按以下步骤进行：
一、原料细化
将煤原料依次进行破碎、研磨和筛分，得到细化煤粉；
二、混合物制备
利用球磨混合或液相浸渍将细化煤粉与碳酸钾混合，得到混合物；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至700～1000℃并保温0.5～10h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理2～5次和水洗处理2～5次，得到清洗后的活化产物；
五、干燥
将清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到煤基多孔碳。
本实施方式提供基于K2CO3循环活化的煤基多孔碳催化活化制备方法。具体为：以煤为原料，通过添加微量或少量的碳酸钾作为催化剂，经球磨混合或液相浸渍过程，使碳酸钾均匀分布在煤的骨架结构内，经过高温活化过程及含钾物质的去除过程，得到孔隙发达的煤基多孔碳。与现有技术相比较，本实施方式方法的优势在于：
一、本实施方式制备方法中，碳酸钾起到催化活化气体与碳基质活化成孔过程；且在反应过程中能够实现钾基组分的循环再生，循环再生过程为:K2CO3→K2O/K2O2→K→K2O→K2CO3，钾基组分的循环再生使得在很少的K2CO3添加量下也能够得到孔隙发达的煤基多孔碳。相比于传统化学活化工艺，本实施方式中所用碳酸钾的用量远低于传统化学活化法中添加剂如KOH、H3PO4、K2CO3或ZnCl2的用量，大大降低了制备成本，易于放大生产。此外，本实施方式方法通过调控碳酸钾的含量和活性气体含量，就能改变所得多孔碳的孔隙分布与配组。并且仅需少量的酸洗或水洗就能够去除残留的钾基物质，最终得到纯碳材料；
二、本实施方式直接通过煤与少量的碳酸钾均匀混合并进行一步活化，即可获得孔隙发达的多孔碳，省去了碳化预处理工艺，降低了工艺难度，且本实施方式的碳源适应性广，且成本低廉；
三、本实施方式所得的分级孔碳比表面积可达1773m2/g，孔容可达1.11cm3/g，这一结果已接近或超过化学活化所得多孔碳的孔隙率，实现了对多孔碳孔隙结构深度调控，在电化学储能如双电层超级电容电极材料和气体吸附、液相吸附领域具有应用潜力。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述细化煤粉的粒径为40～200目。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述煤原料为褐煤、烟煤、次烟煤、无烟煤中的一种或多种按任意比例的混合物。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二所述球磨混合时球磨时间为0.1h～8h，球磨机转速为100r/min～1000r/min，球磨罐材质为玛瑙或不锈钢。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二所述液相浸渍工艺为：将碳酸钾溶解于水中得到碳酸钾溶液，将细化煤粉与碳酸钾溶液混合并置于搅拌机中搅拌均匀，烘干后得到混合物；所述搅拌机的转速为50～500r/min；所述烘干温度为80～200℃。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二所述细化煤粉与碳酸钾中钾元素的质量比为1：(0.01～0.2)。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述气氛炉内的气氛为CO2和惰性气体组成的混合气氛，或水蒸气和惰性气体组成的混合气氛。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。本实施方式高温活化过程引入的H2O或CO2与惰性气体组成的混合气氛有利于孔隙发展，引入的H2O扩散性及反应性较强，当H2O作为活化气氛时，有助于中大孔结构发展；引入的CO2能够促进微孔发展；相反，只采用惰性气氛N2或Ar作为反应气体则不利于孔隙结构发展。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述CO2和惰性气体组成的混合气氛中CO2和惰性气体的体积比为(0.1～10)：1；所述水蒸气和惰性气体组成的混合气氛中水蒸气和惰性气体的体积比为(0.1～10)：1；所述惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。其他步骤和参数与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述气氛炉的升温速率为0.1～30℃/min。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四所述酸洗处理时采用的酸洗液为稀盐酸或硝酸，酸洗液的浓度为0.01mol/L～1mol/L。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤五所述干燥处理的温度为60℃～200℃，时间为6h～12h。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法按以下步骤进行：
一、原料细化
将生物质原料依次进行破碎、研磨和筛分，得到细化生物质粉末；
二、球磨混合或液相浸渍
利用球磨混合或液相浸渍将细化生物质粉末与碳酸钾混合，得到混合物；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至700～1000℃并保温0.5～10h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理2～5次和水洗处理2～5次，得到清洗后的活化产物；
五、干燥
将清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到生物质基多孔碳。
本实施方式提供基于K2CO3循环活化的生物质基多孔碳催化活化制备方法。具体为：以生物质为原料，通过添加微量或少量的碳酸钾作为催化剂，经球磨混合或液相浸渍过程，使碳酸钾均匀分布在生物质的骨架结构内，经过高温活化过程及含钾物质的去除过程，得到孔隙发达的生物质基多孔碳。与现有技术相比较，本实施方式方法的优势在于：
一、本实施方式制备方法中，碳酸钾起到催化活化气体与碳基质活化成孔过程；且在反应过程中能够实现钾基组分的循环再生，循环再生过程为:K2CO3→K2O/K2O2→K→K2O→K2CO3，钾基组分的循环再生使得在很少的K2CO3添加量下也能够得到孔隙发达的生物质基多孔碳。相比于传统化学活化工艺，本实施方式中所用碳酸钾的用量远低于传统化学活化法中添加剂如KOH、H3PO4、K2CO3或ZnCl2的用量，大大降低了制备成本，易于放大生产。此外，本实施方式方法通过调控碳酸钾的含量和活性气体含量，就能改变所得多孔碳的孔隙分布与配组。并且仅需少量的酸洗或水洗就能够去除残留的钾基物质，最终得到纯碳材料；
二、本实施方式直接通过生物质与少量的碳酸钾均匀混合并进行活化，即可获得孔隙发达的多孔碳，省去了碳化预处理工艺，降低了工艺难度，且本实施方式的碳源适应性广，且成本低廉；
三、本实施方式所得的分级孔碳比表面积可达1773m2/g，孔容可达1.11cm3/g，这一结果已接近或超过化学活化所得多孔碳的孔隙率，实现了对多孔碳孔隙结构深度调控，在电化学储能如双电层超级电容电极材料和气体吸附、液相吸附领域具有应用潜力。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤一所述生物质原料进行破碎前进行干燥或碳化预处理；所述干燥或碳化预处理的工艺为：在温度为60～200℃下放置0.5-12h。其他步骤和参数与具体实施方式十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤一所述细化生物质粉末的粒径为40～200目。其他步骤和参数与具体实施方式十二相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤一所述的生物质原料为稻壳、竹粉、椰壳、木粉、树叶、木质素、纤维素中的一种或多种按任何比例的混合物。其他步骤和参数与具体实施方式十二相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤二所述球磨混合时球磨时间为0.1h～8h，球磨机转速为100r/min～1000r/min，球磨罐材质为玛瑙或不锈钢。其他步骤和参数与具体实施方式十二相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤二所述液相浸渍工艺为：将碳酸钾溶解于水中得到碳酸钾溶液，将细化生物质粉末与碳酸钾溶液混合并置于搅拌机中搅拌均匀，烘干后得到混合物；所述烘干温度为80～200℃；所述搅拌机的转速为50～500r/min。其他步骤和参数与具体实施方式十二相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤二所述细化生物质粉末与碳酸钾中钾元素的质量比为1：(0.01～0.2)。其他步骤和参数与具体实施方式十二相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤三所述气氛炉内的气氛为CO2和惰性气体组成的混合气氛，或水蒸气和惰性气体组成的混合气氛。其他步骤和参数与具体实施方式十二相同。本实施方式高温活化过程引入的H2O或CO2与惰性气体组成的混合气氛有利于孔隙发展，引入的H2O扩散性及反应性较强，当H2O作为活化气氛时，有助于中大孔结构发展；引入的CO2能够促进微孔发展；相反，只采用惰性气氛N2或Ar作为反应气体则不利于孔隙结构发展。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十九不同的是：所述CO2和惰性气体组成的混合气氛中CO2和惰性气体的体积比为(0.1～10)：1；所述水蒸气和惰性气体组成的混合气氛中水蒸气和惰性气体的体积比为(0.1～10)：1；所述惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。其他步骤和参数与具体实施方式十九相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤三所述气氛炉的升温速率为0.1℃/min～30℃/min。其他步骤和参数与具体实施方式十二相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤四所述酸洗处理时采用的酸洗液为稀盐酸或硝酸，酸洗液的浓度为0.01～1mol/L。其他步骤和参数与具体实施方式十二相同。
具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤五所述干燥处理的温度为60℃～200℃，时间为6h～12h。其他步骤和参数与具体实施方式十二相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法按以下步骤进行：
一、原料细化
将3g准东煤粉依次进行破碎、研磨和筛分，得到80～100目细化煤粉；
二、混合物制备
利用液相浸渍将细化煤粉与碳酸钾混合，得到混合物；
所述液相浸渍工艺为：将碳酸钾溶解于水中得到碳酸钾溶液，将细化煤粉与碳酸钾溶液混合并置于搅拌机中搅拌均匀，烘干后得到混合物；所述烘干温度为80℃；所述搅拌机的转速为300r/min；
所述细化煤粉与碳酸钾中钾元素的质量比为1:0.02；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至900℃并保温1h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
所述气氛炉的升温速率为5℃/min；
所述气氛炉内的气氛为CO2和高纯氮气组成的混合气氛；CO2和高纯氮气的体积比为3:7；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理3次和水洗处理3次，得到清洗后的活化产物；
所述酸洗处理时采用的酸洗液为0.5mol/L稀盐酸；
五、干燥
将清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到煤基多孔碳；
所述干燥处理的温度为100℃，时间为8h。
本实施例制备方法中，碳酸钾起到催化活化气体与碳基质活化成孔过程；且在反应过程中能够实现钾基组分的循环再生，循环再生过程为:K2CO3→K2O/K2O2→K→K2O→K2CO3，钾基组分的循环再生使得在很少的K2CO3添加量下也能够得到孔隙发达的煤或生物质基多孔碳。相比于传统化学活化工艺，本实施例中所用碳酸钾的用量远低于传统化学活化法中添加剂如KOH、H3PO4、K2CO3或ZnCl2的用量，大大降低了制备成本，易于放大生产。此外，本实施例方法通过调控碳酸钾的含量和活性气体含量，就能改变所得多孔碳的孔隙分布与配组。并且仅需少量的酸洗或水洗就能够去除残留的钾基物质，最终得到纯碳材料；
图1为实施例1制备得到的煤基多孔碳的SEM图，从SEM可以看出所制多孔碳表面有丰富的孔隙结构；图2为实施例1制备得到的煤基多孔碳的TEM图，可以看出该实施例所得到的多孔碳为典型无定型结构，且具有发达的微孔结构；图3为实施例1得到的煤基多孔活性碳材料的氮吸附等温线；图3可以计算出实施例1得到的煤基多孔碳的比表面积高达1773m2/g，孔容为1.11cm3/g。
实施例2：
本实施例基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法按以下步骤进行：
一、原料细化
将3g准东煤粉依次进行破碎、研磨和筛分，得到80～100目细化煤粉；
二、混合物制备
利用液相浸渍将细化煤粉与碳酸钾混合，得到混合物；
所述液相浸渍工艺为：将碳酸钾溶解于水中得到碳酸钾溶液，将细化煤粉与碳酸钾溶液混合并置于搅拌机中搅拌均匀，烘干后得到混合物；所述烘干温度为80℃；所述搅拌机的转速为300r/min；
所述细化煤粉与碳酸钾中钾元素的质量比为1:0.01；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至900℃并保温1h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
所述气氛炉的升温速率为5℃/min；
所述气氛炉内的气氛为CO2和高纯氮气组成的混合气氛；CO2和高纯氮气的体积比为3:7；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理3次和水洗处理3次，得到清洗后的活化产物；
所述酸洗处理时采用的酸洗液为0.5mol/L稀盐酸；
五、干燥
将清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到煤基多孔碳；
所述干燥处理的温度为100℃，时间为8h。
图4为实施例2制备得到的煤基多孔碳的SEM图，从SEM可以看出所制多孔碳表面同样有丰富的孔隙结构；图5为实施例2制备得到的煤基多孔碳的TEM图，可以看出该实施例所得到的多孔碳为典型微孔结构；图6为实施例2得到的煤基多孔碳的氮吸附等温线；图6可以计算出实施例2得到的煤基多孔碳的比表面积高达1294m2/g，孔容为0.82cm3/g。本实施例所得煤基多孔碳的孔隙结构与实施例1所得样品的差异性也进一步说明通过调控K2CO3的添加量和活化气体比例，能够对孔隙结构进行调控。
对比例1：
本对比例煤基多孔碳根据传统化学活化工艺制备，按以下步骤进行：
一、原料细化
将3g准东煤粉依次进行破碎、研磨和筛分，得到80～100目细化煤粉；
二、混合物制备
利用液相浸渍将细化煤粉与碳酸钾混合，得到混合物；
所述液相浸渍工艺为：将碳酸钾溶解于水中得到碳酸钾溶液，将细化煤粉与碳酸钾溶液混合并置于搅拌机中搅拌均匀，烘干后得到混合物；所述烘干温度为80℃；所述搅拌机的转速为300r/min；
所述细化煤粉与碳酸钾的质量比为1:3；细化煤粉与碳酸钾的质量比为1:3属于高添加量的化学活化工艺；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至900℃并保温1h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
所述气氛炉的升温速率为5℃/min；
所述气氛炉内的气氛为CO2和高纯氮气组成的混合气氛；CO2和高纯氮气的体积比为3:7；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理5次和水洗处理5次，得到清洗后的活化产物；
所述酸洗处理时采用的酸洗液为2mol/L稀盐酸；由于添加化学试剂较多，为清洗彻底，选择较高浓度的酸洗液
五、干燥
将清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到煤基多孔碳；
所述干燥处理的温度为100℃，时间为8h。
图7为对比例1制备得到的煤基多孔碳的SEM图，从SEM可以看出所制多孔碳表面有明显的孔隙刻蚀，这与常规化学活化工艺具有一致性；图8为对比例1制备得到的煤基多孔碳的TEM图，可以看出该对照例所得到的多孔碳具有一定石墨化度的微晶结构，同时具有相对发达的微孔结构和较小的介孔结构；图9为对比例1得到的煤基多孔碳的氮吸附等温线；图9可以计算出对比例1得到的煤基多孔碳的比表面积高达1609m2/g，孔容为0.94cm3/g。虽然本对比例所得煤基多孔碳的孔隙结构发达，但该制备过程需要添加高剂量的K2CO3。图10对比了实施例1与对比例1高温活化后未酸洗前的物相分析，可以看出，虽然实施例1添加少量的K2CO3，但高温活化后的物相与常规化学活化相似。
结合前期研究，构建了如图11所示少量碳酸钾催化CO2活化过程孔隙发展示意图，图11为实施例1和实施例2中少量碳酸钾催化CO2活化过程孔隙发展示意图；在K2CO3催化CO2活化煤结构过程中，负载在煤结构表面的K2CO3在高温过程中会释放出CO，形成C-O-K结构，在煤结构表面碳原子作用下会还原为K-C结构，随着活化气氛的参与，继续被氧化为C-O-K结构。在钾基组分的循环再生过程，持续对煤结构进行刻蚀成孔，从而使得实施例1和2中具有发达的孔隙结构。
对比例2：
本对比例煤基多孔碳按照传统物理活化工艺进行，具体按以下步骤进行：
将3g准东煤粉依次进行破碎、研磨和筛分，得到80～100目的细化煤粉；将细化煤粉置于气氛炉内，在60ml/min的CO2气氛和140ml/min的N2气氛下以5℃/min升温速率升温至900℃并保温1h，然后自然降至室温，得到活化产物，即煤基多孔碳。
图12为对比例得到的煤基多孔碳的氮吸附等温线；低温氮吸附测试结果表明：对比例所得煤基多孔碳的比表面积及孔容仅有345m2/g和0.19cm3/g，远低于实施例1～2所得的煤基多孔活性碳材料，直接证明了添加少量K2CO3能够促进孔隙结构发展发展。
实施例3：
本实施例基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法按以下步骤进行：
一、原料细化
将3g干燥竹子依次进行破碎、研磨和筛分，得到80～100目细化竹粉；
所述竹子破碎需要进行预干燥，预干燥温度为100℃，时间为12h；
二、混合物制备
利用液相浸渍将细化竹粉与碳酸钾混合，得到混合物；
所述液相浸渍工艺为：将碳酸钾溶解于水中得到碳酸钾溶液，将细化煤粉与碳酸钾溶液混合并置于搅拌机中搅拌均匀，烘干后得到混合物；所述烘干温度为80℃；所述搅拌机的转速为300r/min；
所述细化竹粉与碳酸钾中钾元素的质量比为1:0.01；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至900℃并保温1h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
所述气氛炉的升温速率为5℃/min；
所述气氛炉内的气氛为CO2和高纯氮气组成的混合气氛；CO2和高纯氮气的体积比为3:7；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理3次和水洗处理3次，得到清洗后的活化产物；
所述酸洗处理时采用的酸洗液为0.5mol/L稀盐酸；
五、干燥
将清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到生物质基多孔碳；
所述干燥处理的温度为100℃，时间为8h。
本实施例是基于生物质原料(竹粉)制备多孔碳，制备的多孔碳表面同样有丰富的孔隙结构，且为典型微孔结构；生物质基多孔碳的比表面积高达1537m2/g，孔容为0.91cm3/g。

Claims (16)

1.一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：
一、原料细化
将煤原料依次进行破碎、研磨和筛分，得到细化煤粉；
二、混合物制备
利用球磨混合或液相浸渍将细化煤粉与碳酸钾混合，得到混合物；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至700～1000℃并保温0.5～10h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理2～5次和水洗处理2～5次，得到清洗后的活化产物；
五、干燥
将清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到煤基多孔碳。
2.根据权利要求1所述的基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤一所述煤原料为褐煤、烟煤、次烟煤、无烟煤中的一种或多种按任意比例的混合物。
3.根据权利要求1所述的基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤二所述液相浸渍工艺为：将碳酸钾溶解于水中得到碳酸钾溶液，将细化煤粉与碳酸钾溶液混合并置于搅拌机中搅拌均匀，烘干后得到混合物；所述搅拌机的转速为50～500r/min；所述烘干温度为80～200℃。
4.根据权利要求1所述的基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤二所述球磨混合时球磨时间为0.1h～8h，球磨机转速为100r/min～1000r/min，球磨罐材质为玛瑙或不锈钢。
5.根据权利要求1所述的基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤二所述细化煤粉与碳酸钾中钾元素的质量比为1：(0.01～0.2)。
6.根据权利要求1所述的基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤三所述气氛炉内的气氛为CO2和惰性气体组成的混合气氛，或水蒸气和惰性气体组成的混合气氛。
7.根据权利要求6所述的基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法，其特征在于：所述CO2和惰性气体组成的混合气氛中CO2和惰性气体的体积比为(0.1～10)：1；所述水蒸气和惰性气体组成的混合气氛中水蒸气和惰性气体的体积比为(0.1～10)：1；所述惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。
8.根据权利要求1所述的基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤四所述酸洗处理时采用的酸洗液为稀盐酸或硝酸，酸洗液的浓度为0.01mol/L～1mol/L。
9.一种基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：
一、原料细化
将生物质原料依次进行破碎、研磨和筛分，得到细化生物质粉末；
二、球磨混合或液相浸渍
利用球磨混合或液相浸渍将细化生物质粉末与碳酸钾混合，得到混合物；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至700～1000℃并保温0.5～10h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理2～5次和水洗处理2～5次，得到清洗后的活化产物；
五、干燥
将清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到生物质基多孔碳。
10.根据权利要求8所述的基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤一所述生物质原料进行破碎前进行干燥或碳化预处理；所述干燥或碳化预处理的工艺为：在温度为60～200℃下放置0.5-12h。
11.根据权利要求8所述的基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤一所述的生物质原料为稻壳、竹粉、椰壳、木粉、树叶、木质素、纤维素中的一种或多种按任何比例的混合物。
12.根据权利要求8所述的基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤二所述液相浸渍工艺为：将碳酸钾溶解于水中得到碳酸钾溶液，将细化生物质粉末与碳酸钾溶液混合并置于搅拌机中搅拌均匀，烘干后得到混合物；所述烘干温度为80～200℃；所述搅拌机的转速为50～500r/min。
13.根据权利要求8所述的基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤二所述球磨混合时球磨时间为0.1h～8h，球磨机转速为100r/min～1000r/min，球磨罐材质为玛瑙或不锈钢。
14.根据权利要求8所述的基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤二所述细化生物质粉末与碳酸钾中钾元素的质量比为1：(0.01～0.2)。
15.根据权利要求8所述的基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤三所述气氛炉内的气氛为CO2和惰性气体组成的混合气氛，或水蒸气和惰性气体组成的混合气氛。
16.根据权利要求8所述的基于碳酸钾循环活化的生物质基多孔碳的制备方法，其特征在于：步骤四所述酸洗处理时采用的酸洗液为稀盐酸或硝酸，酸洗液的浓度为0.01～1mol/L。
CN201910219167.XA 2019-03-21 2019-03-21 一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法 Pending CN109835900A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910219167.XA CN109835900A (zh) 2019-03-21 2019-03-21 一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910219167.XA CN109835900A (zh) 2019-03-21 2019-03-21 一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109835900A true CN109835900A (zh) 2019-06-04

Family

ID=66886023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910219167.XA Pending CN109835900A (zh) 2019-03-21 2019-03-21 一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109835900A (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111573666A (zh) * 2020-04-21 2020-08-25 山东科技大学 一种针对超级电容器多孔炭材料碳源分子层面的优化方法
CN111977651A (zh) * 2020-07-23 2020-11-24 大唐可再生能源试验研究院有限公司 碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法
CN112125294A (zh) * 2020-09-21 2020-12-25 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种煤基硅碳复合负极材料其制备方法
CN112978729A (zh) * 2021-02-09 2021-06-18 中国矿业大学 一种褐煤基类石墨烯的制备方法及其应用
CN113511654A (zh) * 2021-04-16 2021-10-19 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种电容炭及其制备方法
CN113789591A (zh) * 2021-08-23 2021-12-14 上海应用技术大学 一种复合活化多孔碳纤维及其制备方法与应用
CN114452935A (zh) * 2022-02-16 2022-05-10 山东省科学院能源研究所 一种短链条制备碳基脱硝高效吸附剂的方法
CN114836787A (zh) * 2022-04-27 2022-08-02 东南大学 钼负载生物质衍生碳基析氢电催化剂的制备方法
CN115246670A (zh) * 2021-12-28 2022-10-28 榆林学院 一种载钴煤基电极材料、制备方法及其应用
CN116375029A (zh) * 2023-03-10 2023-07-04 新疆大学 多腔互通分级多孔碳球、多孔碳球电极及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060204429A1 (en) * 2005-03-14 2006-09-14 Bool Lawrence E Iii Production of activated char using hot gas
CN101190789A (zh) * 2007-04-19 2008-06-04 兰州理工大学 用废弃焦粉制备焦粉活性炭的方法
CN101462721A (zh) * 2009-01-06 2009-06-24 邹炎 褐煤清洁制造活性炭和活性焦的工艺方法
CN101492161A (zh) * 2009-02-27 2009-07-29 山西元唐煤化工科技有限公司 一种以煤为原料制备高比活性炭的方法
CN101723363A (zh) * 2010-01-25 2010-06-09 哈尔滨工业大学 烟气与水蒸气复合活化的活性炭炉前制备方法
CN105819443A (zh) * 2016-03-04 2016-08-03 四川大学 一种利用废弃植物基生物质制备活性炭及方法
CN108773844A (zh) * 2018-09-06 2018-11-09 哈尔滨工业大学 一种微量钙添加催化活化制备煤基多孔碳材料的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060204429A1 (en) * 2005-03-14 2006-09-14 Bool Lawrence E Iii Production of activated char using hot gas
CN101190789A (zh) * 2007-04-19 2008-06-04 兰州理工大学 用废弃焦粉制备焦粉活性炭的方法
CN101462721A (zh) * 2009-01-06 2009-06-24 邹炎 褐煤清洁制造活性炭和活性焦的工艺方法
CN101492161A (zh) * 2009-02-27 2009-07-29 山西元唐煤化工科技有限公司 一种以煤为原料制备高比活性炭的方法
CN101723363A (zh) * 2010-01-25 2010-06-09 哈尔滨工业大学 烟气与水蒸气复合活化的活性炭炉前制备方法
CN105819443A (zh) * 2016-03-04 2016-08-03 四川大学 一种利用废弃植物基生物质制备活性炭及方法
CN108773844A (zh) * 2018-09-06 2018-11-09 哈尔滨工业大学 一种微量钙添加催化活化制备煤基多孔碳材料的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MINGBO WU, ET AL: "Preparation of porous carbons from petroleum coke by different activation methods", 《FUEL》 *
刘洋等: "煤半焦催化活化制备多孔活性炭", 《煤炭加工与综合利用》 *
高继慧等: "微量Ca对准东煤基多孔碳孔隙结构调控", 《工程热物理学报》 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111573666A (zh) * 2020-04-21 2020-08-25 山东科技大学 一种针对超级电容器多孔炭材料碳源分子层面的优化方法
CN111977651A (zh) * 2020-07-23 2020-11-24 大唐可再生能源试验研究院有限公司 碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法
CN112125294B (zh) * 2020-09-21 2022-04-19 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种煤基硅碳复合负极材料其制备方法
CN112125294A (zh) * 2020-09-21 2020-12-25 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种煤基硅碳复合负极材料其制备方法
CN112978729A (zh) * 2021-02-09 2021-06-18 中国矿业大学 一种褐煤基类石墨烯的制备方法及其应用
CN113511654A (zh) * 2021-04-16 2021-10-19 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种电容炭及其制备方法
CN113789591A (zh) * 2021-08-23 2021-12-14 上海应用技术大学 一种复合活化多孔碳纤维及其制备方法与应用
CN115246670A (zh) * 2021-12-28 2022-10-28 榆林学院 一种载钴煤基电极材料、制备方法及其应用
CN115246670B (zh) * 2021-12-28 2023-09-19 榆林学院 一种载钴煤基电极材料、制备方法及其应用
CN114452935A (zh) * 2022-02-16 2022-05-10 山东省科学院能源研究所 一种短链条制备碳基脱硝高效吸附剂的方法
CN114836787A (zh) * 2022-04-27 2022-08-02 东南大学 钼负载生物质衍生碳基析氢电催化剂的制备方法
CN114836787B (zh) * 2022-04-27 2023-12-08 东南大学 钼负载生物质衍生碳基析氢电催化剂的制备方法
CN116375029A (zh) * 2023-03-10 2023-07-04 新疆大学 多腔互通分级多孔碳球、多孔碳球电极及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109835900A (zh) 一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法
CN102583312B (zh) 一种氮、磷掺杂多孔碳球的制备方法及应用
CN106000311B (zh) 负载铁/锌纳米粒子的生物炭及其制备方法和应用
CN106466617A (zh) 一种超高比表面积富氮多孔炭脱硫剂的制备方法
CN108773844A (zh) 一种微量钙添加催化活化制备煤基多孔碳材料的方法
CN102335592B (zh) 金属有机骨架-氧化石墨纳米复合吸附材料及其制备方法
CN110330016A (zh) 一种无烟煤基多孔碳石墨微晶和孔隙的一步协同发展方法
CN106881138A (zh) 一种氮磷共掺杂多孔生物质碳催化剂的制备方法
CN102992313A (zh) 一种中孔发达的高比表面石墨烯、及其制备方法
CN110064367A (zh) 一种生物质基活性炭微球及其制备方法和应用
CN102764631B (zh) 一种多孔半焦吸附材料的制备方法
CN112795949B (zh) 一种生物质碳基过渡金属双原子电催化剂的制备方法及应用
CN105854801A (zh) 一种氮掺杂的多孔碳材料及其制备方法和用途
CN108404868A (zh) 基于碱金属阳离子掺杂NH2-MIL-125(Ti)材料及制备方法
CN104645989A (zh) 一种杂原子掺杂多孔炭材料及其制备方法
CN109192524A (zh) 一种活性炭-石墨烯复合多孔材料制备方法
CN113813927B (zh) 泡沫炭基固体胺吸附剂及其制备方法和应用
CN106744793A (zh) 一种碱木质素基超级电容器用多孔炭材料及其制备方法和应用
CN108821285A (zh) 一种铁基金属盐熔融渗透制备煤基多孔活性碳材料的方法
CN114452959A (zh) 一种简单高效的吸附剂复合方法
CN113788920A (zh) 苯并噻唑类共价有机框架材料、其制备方法及应用
CN103213986A (zh) 一种超高孔容活性炭的配方及制备方法
CN107840334A (zh) 一种极微孔多孔碳材料及其制备方法
CN109499595B (zh) 一种氧还原反应（orr）催化剂gpncs及其制备方法
CN112916027A (zh) 一种酵母生物质制备磷化铁/碳复合材料的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination